江南大学陈卫：益生菌对重金属的生物减除及其在乳制品中的应用

【FBIF2016演讲文稿（整理）】

演讲嘉宾:陈卫，食品学院院长，江南大学

图为：陈卫

演讲视频

今天跟大家分享的是益生菌对重金属的生物减除及其在乳制品中的应用。

主要从三个方面介绍，一个是重金属危害及其防治策略，第二个是益生菌对重金属的生物减除；第三个介绍一下具有生物减除重金属能力的益生菌在乳制品食品当中的应用。

重金属是一类比重超过4.5的金属，像镉、铅、汞、铜、砷等，在土壤的污染里面，重金属污染占到85%以上。据国土资源部的数据，大概每年有1200万吨粮食遭受污染，损失几百个亿。另外重金属通过土壤、饮用水、食物对人体产生暴露，有的通过植物的吸收还有的通过饲料，然后最后在人体里面表现出来。除了水、土壤、食物以外，其实在我们生活里面重金属的暴露还是很多。比如说通过大气，包括汽车的尾气、工业的废气等，另外还有生活用品，比如说电池、化妆品、玩具等。生活里面，重金属暴露的机遇还是比较高的。看一下我国食品中的重金属污染的情况（图1）。从地区来看，主要在长三角、珠三角和东北工业基地。从品种上来讲，它也有一个特点，吸附重金属比较厉害的主要是稻米、花生、向日葵、烟草等。还有一组数据，我国食品里面，镉的检出率大概在64%，这是对2000余份样品统计的结果，超标率7.3%。长三角地区食品的超标率是7.6%，其中水产品达到30%以上。另外重金属对人体的危害很大，比如说重金属镉，国家癌症研究中心，镉是列为一级致癌物，美国环保署把镉列为第7位危害人体健康的有毒物质。在我国的土壤里面，镉也是一个点位超标率最高的污染物。如果暴露以后有急性镉中毒，还有慢性镉中毒，这个临床上有一系列的症状，包括肾毒性，肝脏的损伤、泌尿器官的损伤等。

图1

这几年，特别是这种镉大米的事件还是引起大家对镉污染的忧虑。铅也是在日常生活里面经常暴露风险比较高的一类重金属。国际原子能机构有一个数据，大概全球有1.2亿人暴露于含铅过高的环境。世界卫生组织也有一个数据，中国儿童血铅超标率大概是在10.45%。

重金属在临床上的治疗主要是采用螯合剂，因为它对重金属有很强的结合能力然后再把它排出来。但是一般不是达到中毒的程度，比如说是上限或者是略微轻度的中毒，就要采取很多的措施，一个是减缓重金属暴露引起的损伤，第二个就要把重金属降下来。实际上用螯合剂的方法也是有很多的副作用。一般治疗都是治疗几天就要停一个月然后再治疗，一个疗程下来要有很长的时间，为什么？就是人吃不消。另外还有一个副作用，螯合剂排的时候不仅是把重金属排掉，把一些必需营养素都排掉，就是必需矿物质的流失是非常严重。

我们实验室这几年一直做的工作是用益生菌的方案来减除重金属。另外以生物的方法还有一个好的就是乳酸菌有一个比较强的抗氧化力，因为重金属中毒就是对机体的氧化应激，这时候对组织器官的损伤比较大。通过我们的实验，从体外和动物模型以及临床上的证明，益生菌强抗氧化对体内降低它的氧化应激起的保护作用还是很有效。另外益生菌、乳酸菌进入身体以后，在肠道里面与肠上细胞的位置结合，起到调节作用。对肠道的屏障也起着很好的这样一个调剂作用，所以这都是很好的。

图2

第三个是益生菌对重金属的生物减除。在我们实验室，现在我们第一个做的是铅，第二个是镉，然后是铜，另外我们做了铝，还有对砷也在做。我们实验室最主要的手段还是动物实验，部分菌株也做了人体的。这类研究我们有一个设想，一个假设。实际上也可以说是我们的一个研究思路，我们觉得如果要有一个好的益生菌，必须要有一系列的特质和特点。第一个我们想它一定要有比较好的重金属离子的吸附能力；第二个要有针对这种重金属一个比较好的耐受能力；第三个很好的抗氧化能力；第四是比较好的胃肠道环境的耐受能力。去年我们得了一个专题新奖，所以大家对这个比较感兴趣，所以我举了这个奖对应的专利菌株的研究工作。在所有的测试菌种里面，大家可以看到右上（图2）是对镉的吸附能力，CCFM8610。左边的是对镉的耐受能力，这株菌有极其强的对镉的耐受能力，甚至是达到1000毫克每升，是其他菌种的20倍。抗氧化能力包括对羟自由基的清楚能力，对于脂质过氧化的能力。可以看到8610具有优良的活性氧自由基清除能力，还有很强的还原性。因为LGG也是在抗氧化能力上比较显著的，大概这两个菌在抗氧化能力上非常相似，也做了聚类和分析。胃肠道的能力，大家可以看到8610对于耐受耐酸（图3），这是用的人工的胃液肠液，效果非常好。另外菌株的吸附特性（图4），大家可以看到左上的图，上面可以看到镉的吸附不连续。而在8610上面是连续的。右边是光谱扫描，可以明确看到这对镉的吸附。就是说它的吸附不仅仅是物理的吸附，因为一开始我们以为是物理的吸附，它可能是有吸附蛋白。所以去年我们申请了国家的自然基金项目，就做这方面的机制。

图3

图4

另外也做了细胞组分的剥离和表面吸附的基团（图5）。可以看到把它分成细胞膜、细胞壁，大部分的镉吸附在细胞膜和细胞壁，菌体表面的氨基和羟基起到吸附的重要作用。我们也做了吸附热力学（图6），根据这个曲线可以做出最大的吸附量，大概每克菌体24.69毫克，我们与LGG相比，超过了2倍。而且这个吸附符合L—F双模型的特征，这个比较复杂，但是这个模型符合以后，预示着这个吸附有两个过程，一个是热力吸附，一个是离子吸附的过程。这是一个二级方程，可以看到它的活性位点吸附和过程分液膜扩散吸附，活性位点就是可以看到有异性吸附。在动物实验里面，可以看到这个菌也有很强的抑制肠道镉的吸收的能力（图7），而且可以看到粪便里面，第一个是镉的，第二个是镉+8610的，也有加活、和死的菌的，说明用了菌加速了粪便排出，但是死菌效果不明显。在铅的研究里面，死菌和活菌都有效果。但是右边的是用了其他的几株菌进行对照。确实8610是最好的一个。

图5

图6

图7

再看一下8610对肠上皮细胞的影响（图8），包括用的流式细胞仪，看它对细胞凋亡的影响。可以看到由镉包围以后产生大量的自由基，这个自由基导致肠上皮细胞的凋亡和加速。这个都可以看到8610有显著地恢复肠道的屏障和通透性，这对减少它的吸收也有帮助。还有利用8610，可以恢复由镉暴露影响的肠道菌群的结构与组成，还有调节因子水平，使肠道恢复正常。

图8

另外我们看了一些组织，包括肝脏、肾脏里面（图9）。可以看到左边的图第一个是空白，第二个是镉的暴露，第三个是加菌进行的。同时我们可以看到特别像肝脏里面第三个加菌进行的是明显可以降低组织里面镉的含量。右边也是，这个是第二个图，可以看到这里面镉的含量与镉暴露比是比较低。在血液里面也有类似的结果，这是做组织病理的观察。8610菌可以恢复相应的靶点酶的酶活，然后与第二个相比，它是大大降低这些指标，说明氧化应激会降低。然后组织侵变也是明显降低。

图9

最后探讨一下这些具有重金属生物减除能力的菌株在食品当中的应用。主要是谈一下在乳制品的应用。

CCFM是我们实验室所有保藏菌株的编号，这些菌株在豆制品、乳制品、糖果、巧克力以及固体饮料、咀嚼片里面都可以应用。我们CCFM也做了菌在酸奶里面的应用。特别可以看到它有一个特点，包括我们8610还有植物乳杆菌它在植物乳里面长得不是很好，但是加上生长素，微量乳生长是没有问题。包括它在酸奶里面能够有效地去除镉这可能也是一个减量化的，包括类似的产品像褐色乳饮料、果味酸奶都可以用。发酵的豆乳，用这个专利菌株做豆乳，拿产品做试验，也是可以看到肝脏、肾脏里面的含量，这是第三组，相应的是大大降低。另外包括通过这个菌的发酵，豆乳里面的一些像黄铜类的物质也会提高。这些是利用菌株发酵果蔬，我们做了黄瓜、番茄汁，发现发酵一定的时间以后，因为发酵一定的时间菌要增值，对体内的重金属就起到减除作用，当然我们也申请了一些专利。在我们的一些米面食品里面，像米线在加工的过程中要加成粉还要浸泡，其实那里面就有乳酸菌，这些体系也可以利用。当然一些企业的研究人员跟我们交流说，现在镉大米很严重，用你这个菌技术处理一下不就行了吗？对于这种不行，一定要与水的结合，工业里面要用到泡什么的。如果一个大米，当然这里面很复杂，你最后怎样让它进去把内部的去除掉，还有仅仅为了这一点它会产生很多的污水，这也是很大的问题。当然现在这些东西做很多的燃料、酒精也是一个方案。米面制品有很多发酵的，还有在益生菌和巧克力，这个在我们实验室这方面的专利也做得很多。因为益生菌存活也很娇贵，所以我们是在低水份的环境里面，如果在液体环境里面它很容易死。巧克力这个体系可以做得比固体的粉剂还要稳定，包括在一些膳食补充剂里面。

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